Океанография и морской лед

Акустические доплеровские профилографы (ADCP) WorkHorse Sentinel 300 кГц (WHS300) и (ADCPLR) WorkHorse Long Ranger 75 кГц (WHLS75) имеют четыре излучателя акустического сигнала типа Convex, расположенные на верхней крышке прибора (рис. 1И, рис. 1К). Излучатели наклонены относительно горизонтальной оси на 20°. На приборах также установлены датчики температуры для коррекции значений скорости, могут быть установлены датчики давления (тензорный датчик). Запас времени по питанию 45 и 55 суток в установленном десятиминутном режиме измерения для профилографов WHS300 и WHLS75 соответственно.

Подготовка прибора к работе и считывание данных производится программно. Разбирать прибор требуется только для подключения (замены) питания или переключения типа интерфейса. Перед установкой прибор тестируется с помощью приложенного к нему программного обеспечения (программа «WinSc»). После контрольного включения проводится оценка измерений каналов температуры и давления. Перед включением прибора в рабочий режим проводится калибровка магнитного компаса, установка нуля глубины, времени встроенных часов. Непосредственно перед установкой профилографа в майну, программой «PlanADCP» выставляются следующие параметры: тип измерителя (частота сигнала), диапазоны измерения (океан), тип постановки (буйковая станция), диапазон глубин измерения, размер и количество ячеек (слоев) измерения, объем памяти, интервал осреднения (дискретность), максимальная продолжительность работы, примерная температура и соленость воды в период измерений. Также можно установить: допустимое стандартное отклонение измерений скорости, количество пингов в ансамбле измерений (умолчание 50 пингов), интервал между пингами, магнитное склонение. Более тонкая настройка прибора может осуществляться командами в программе «WinSc» перед пуском программы, планирующей постановку «PlanADCP». Можно устанавливать режим мгновенных измерений и его параметры, регулировать амплитуду сигнала, ширину полосы излучения, режим высокого разрешения (для WHLS75) и т. п. Перенос данных на компьютер, обработка измерений производится с помощью программы «WinSc». Более подробное представление исходных данных и вывод их в виде ASCII-кодов выполняется с помощью программы «WinADCP».

Излучатели профилографов можно ориентировать как вверх, так и вниз. Задаваемая толщина слоев лимитируется необходимой точностью измерения (табл. 5). По классу точности датчика температуры данные профилографы относятся к ненормируемым, что оправдано, поскольку данный параметр выступает как вспомогательный. По классу точности датчика давления они относятся к высшему классу точности (табл. 1). Кроме интерфейса типа RS232 (RS232C) профилографы течений также имеют интерфейс типа RS422. Передача данных производится со скоростью 9600–115 400 бод.

Приборы устанавливаются в монтируемой к корпусу раме. Набор такелажа и крепление WHS300 в майне выполняется аналогично описанному ранее для RCM 9IW, но приборы не утяжеляются. Профилограф течений WHLS75 имеет значительный вес (120 кг с рамой) и габариты (табл. 4), что требует использования иной, нежели для WHS300 схемы установки. Он устанавливается под лед в обогреваемую майну размером около 100?150 см внутри палатки КАПШ-3. Майна обогревается ТЭНом на плавучей раме мощностью 1 кВт. Дополнительно на стенках майны с двух сторон устанавливаются притопленные ТЭН мощностью 0,4–0,5 КВт. Синтетический трос, на котором висит прибор, пропускают через блок для обеспечения возможности его быстрого извлечения, а также возможности его подъема для контрольного считывания данных.

При расстановке профилографов WHS300 и WHLS75 следует иметь в виду возможность наложения сигналов разной частоты, приводящего к сбоям. Как показала практика работ на СП, для исключения наложения сигналов следует разносить измерители на расстояние не менее 50 м. В качестве примера использования данных измерения течения профилографом WHS300 может служить представление пространственного распределения средних векторов (трехсуточное осреднение) течений на горизонте 69 м, полученное в ходе экспедиции СП-36, приведенное на рис. 3.

Рис. 3. Пространственное распределение средних векторов течений на горизонте 69 м по данным, полученным профилографом течений WHS300

Заключение

Качественный и количественный прорыв в приборной базе, используемой при проведении океанологических исследований в Арктике, наиболее очевиден на примере экспедиций на научно-исследовательских дрейфующих станциях «Северный полюс», организуемых ААНИИ (табл. 6). Увеличение приборной базы по номенклатуре и по количеству измеряемых этими приборами океанологических параметров имело место, начиная с работ сезонного отряда дрейфующей станции СП-34 в 2006 г. Нарастание объема выполняемых наблюдений связанное с расширением приборной базы видно из табл. 7, где показан объем наблюдений, выполненных в тех же экспедициях, что и указанные в табл. 6. При этом если количество гидрологических станций определяется продолжительностью работ на каждой из СП, то объем выполненных измерений течений в большей степени связан с указанными выше тенденциями. Значительный спад количества данных наблюдений на дрейфующей станции СП-37 определяется субъективными причинами.

Таблица 6. Состав приборной базы (в единицах), активно используемой при проведении океанологических исследований на российских дрейфующих станциях «Северный полюс»

Таблица 7. Общий объем наблюдений, выполненных океанологическими отрядами на российских дрейфующих станциях «Северный полюс» с применением современной приборной базы.

Примечания:

– суммарная продолжительность измерений течений на всех горизонтах

Углубление исследований СЛО с применением современных приборов и оборудования связано со следующими перспективными решениями:

• в рамках работ на дрейфующем льду:

– незначительное увеличение количества автономных измерителей температуры и электропроводности SBE 37SM и профилографов течений WHS300 для обеспечения полигонных постановок с целью исследования пространственно-временной изменчивости гидрологических параметров на отдельных горизонтах;

– качественное увеличение получаемой информации за счет исследования микропульсаций гидрологических параметров подо льдом, например, используя RMS (Recording Microstructure System) производства Rockland Scientific (Канада);

– использование современного вспомогательного оборудования (треноги, лебедки);

• в судовых экспедициях:

– увеличение количества измеряемых при зондировании параметров, например, при установке на розетте профилографа WHS600 или WHS300, имеющего режим работы LADCP, установке датчиков растворенных газов (кислород, метан), датчика флюоресценции фитопланктона;

– использование малоинерционных приборов для исследования поверхностного слоя, например, турбулиметров (VMP750VMP2000 производства Rockland Scientific или Turbo MAP-L производства ALEC Electronics (Япония)).

В работе использованы данные технических описаний приборов, а также информация фирм-изготовителей, размещенная на их сайтах.

Литература

Левашов Д.И. Техника экспедиционных исследований. М.: Издательство ВНИРО, 2003. 399 с.

S.B. Kuzmin[4 - Arctic and Antarctic research institute, St. Petersburg, Russia], A.Yu. Ipatov[5 - Arctic and Antarctic research institute, St. Petersburg, Russia]. Modern oceanographic instruments and observations technique applied with respect to research of hydrological conditions at the Arctic Ocean

Аbstract

Modern oceanographic instruments used during expeditions at the Arctic Ocean are described. Characteristics of recorders, profilographs, probes are shown in details. The quality estimations of augmentation of instruments assembly used to investigate oceanographic parameters in the Arctic Ocean are presented. The quantitative estimations of augmentation oceanographic data base during last decade has been obtained, are presented too. Few expeditions took place at last decade (during IPY 2007/08 too) under Arctic and Antarctic research institute (AARI) leadership at the Arctic Ocean both from the ice and onboard are used as example to show up-to-date oceanographic technique.

С.А. Кириллов[6 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия], К.В. Фильчук[7 - Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия]

Использование заякоренных и дрейфующих буйковых измерительных комплексов для непрерывной регистрации параметров состояния морской среды в Арктике

Аннотация

В статье рассмотрены основные методики получения информации по гидрофизическому состоянию Северного Ледовитого океана (СЛО) с автономных измерительных платформ, к которым относятся заякоренные и дрейфующие буйковые комплексы. Анализируются преимущества и недостатки каждого из видов наблюдений, а также перспективы их дальнейшего использования для развития наблюдательной сети в СЛО.

Введение

Северная полярная область является частью глобальной климатической системы, где наблюдаются наиболее сильные естественные флуктуации ее состояния. Это связано со значительным влиянием адвективного обмена с субарктической зоной с одной стороны, а также с существованием сложных процессов взаимодействия отдельных компонентов арктической климатической системы между собой и многочисленных механизмов прямых и обратных связей с другой. В течение двух последних десятилетий климатические изменения в Арктике стали наиболее заметны в связи со значительными изменениями, выраженными в существенном увеличении температуры воздуха и сокращении площади и толщины арктических льдов. С 1987–1989 гг. началось повышение температуры атлантических вод в Северном Ледовитом океане (СЛО), которое для отдельных районов превысило максимальные значения за весь исторический с 1887 г. период наблюдений. В конце 90-х годов прошлого века научная активность в области исследования Северного Ледовитого океана стала нарастать. Вначале это были отдельные рейсы судов и ледоколов в арктические моря и Арктический бассейн СЛО, авиационные экспедиции с высадкой на лед и др. Затем стали выполняться международные научные программы, которые ставили задачей исследование океанографических процессов в отдельных частях Северного Ледовитого океана в условиях быстро меняющихся природных условий.

Наблюдаемые климатические изменения, в свою очередь, открывают широкие перспективы развития природопользовательской и хозяйственной деятельности в высокоширотных районах, что сопровождается усилением антропогенного влияния на хрупкую арктическую экосистему в целом. Одновременно с этим возрастают риски, связанные с влиянием сложных гидрометеорологических условий на хозяйственную деятельность. В этой связи безусловным фактором, снижающим упомянутые риски, является развитие системы мониторинга гидрофизического состояния вод арктического бассейна и окраинных морей, действующей в автономном режиме.

В настоящее время поступление информации о гидрофизическом состоянии СЛО с автономных измерительных комплексов обеспечивается в двух вариантах. Первый вариант подразумевает получение данных при помощи заякоренных буйковых измерительных комплексов, устанавливаемых в отдельных районах арктического бассейна на длительный период с последующим подъемом этих комплексов и скачиванием информации. Второй вариант предполагает оперативное поступление информации через спутниковые каналы связи с дрейфующих буйковых измерительных комплексов.

В настоящей статье будут рассмотрены основные вопросы, касающиеся способов получения гидрофизической информации в СЛО при помощи таких комплексов, а также вопросы перспективности их дальнейшего использования для развития наблюдательной сети в СЛО.

Заякоренные буйковые измерительные комплексы

В последние годы все большее развитие в системе мониторинга текущих изменений состояния арктической климатической системы получают автономные заякоренные измерительные комплексы (или ПБС – притопленная буйковая станция), с помощью которых выполняется сбор информации в фиксированной точке в течение продолжительного (как правило, в течение одного года) периода времени. Автономные заякоренные буйковые станции, наряду с экспедиционными судовыми средствами получения информации, являются одним из мощнейших инструментов сбора данных о гидрофизическом состоянии водной толщи и протекающих в ней процессов. При этом перечень параметров, которые возможно регистрировать при помощи заякоренных станций, является весьма широким и определяется исключительно списком уже существующих приборов, предназначенных для измерения характеристик состояния морской среды и способных работать в автономном режиме. Кроме этого, подобные системы являются единственной возможностью получить достоверную оценку параметров динамического состояния водной толщи: скоростей и направлений морских течений, их сезонной и межгодовой изменчивости, характеристик приливных течений и пр. Кроме того, в настоящее время наряду с приборами, устанавливаемыми в составе ПБС на фиксированных горизонтах, в практику океанографических наблюдений все чаще входят профилографы, осуществляющие вертикальное перемещение вдоль несущего троса комплекса в пределах выбранного диапазона глубин и записывающие информацию о вертикальном распределении основных параметров состояния (температура, соленость, скорость течения) водных масс.

Конструктивно ПБС состоят из четырех основных элементов, к которым относятся: якорь, удерживающий измерительный комплекс в точке постановки (рис. 1 б); несущий буй положительной плавучести для поддержания станции в вертикальном положении (рис. 1 а); акустический размыкатель, служащий для связи с комплексом и приема сигнала на всплытие от бортового устройства (рис. 1 в), и связующий синтетический или металлический трос (рис. 1 г), на котором устанавливаются приборы и оборудование.

Рис. 1. Основные составляющие части автономного заякоренного буйкового измерительного комплекса: а) – несущие буи; б) – акустический размыкатель в комплекте с бортовым устройством; в) – якорь/груз; г) – трос

Основой успешного использования ПБС является учет нескольких основных моментов, часть из которых связана с чисто технических проблемами (правильный расчет нагрузки ПБС, защита от коррозии), а часть – с правильной последовательностью действий по подъему станции. При этом, как показывает опыт, при правильно организованной постановке ПБС проблем удается избежать.

Расчет нагрузки, в которую входит определение достаточного веса якоря для удержания станции в точке постановки и размера элементов плавучести в верхней части ПБС, производится в зависимости от общего количества используемых в составе станции приборов, их веса и размеров, при учете динамических нагрузок (течения), характерных для исследуемого района. Очевидно, что увеличение количества приборов приводит к увеличению веса и необходимости увеличения размеров элементов плавучести. Аналогичное увеличение плавучести требуется также при увеличении парусности станции за счет включения в ее состав значительных по размерам приборов или в условиях активной динамики водных масс. Одновременно с этим увеличение плавучести вызывает необходимость увеличения веса якоря и использования более прочного троса.

Суть борьбы с коррозией на металлических элементах конструкции ПБС заключается в установке в районе предполагаемого коррозионного разрушения протекторов – металлических накладок из магниево-алюминиевого сплава или цинка, электрический потенциал которого ниже потенциала защищаемого металла. Этот способ основан на разнице электрических потенциалов металла (катода), подвергающегося коррозии, и протектора (анода). Цинк в том случае оказывается эффективен только при высокой его чистоте (более 99,9 %) или в сплаве с 1–3 % магния. В противном случае протектор быстро покрывается окислами, изолирующими его поверхность от воды.

Установка и демонтаж заякоренных буйковых комплексов осуществляется в основном во время проведения комплексных морских научно-исследовательских экспедиций. В последние годы большая часть таких комплексов на акватории СЛО была установлена в рамках международных проектов, таких как NABOS (Nansen And Amundsen Observational System – Система наблюдений в бассейнах Нансена и Амундсена), SEARCH (Study of Environmental Arctic Changes – Программа исследований изменений в природной среде Арктики), CABOS (Canadian Basin Observational System – Система наблюдений в Канадском бассейне), DAMOCLES (Developing Arctic Modeling and Observing Capabilities for Long-term Environmental Studies – Программа усовершенствования модельных и мониторинговых исследования природной среды Арктики), Laptev Sea System (Система моря Лаптевых), CASES (Canadian Arctic Shelf Exchange Study – Программа исследования процессов шельфового обмена в Канадской Арктике), SBI (Arctic Shelf-Basin Interaction – Проект изучения взаимодействия между шельфовой и глубоководной частью СЛО), RUSALCA (Russian-American Long-term Census of the Arctic – Российско-американская долговременная программа арктических исследований) и др. В ряде случаев задачи по постановке и снятию станций решались с привлечением средств авиации, например, в рамках программы наблюдательной системы в районе Северного Полюса (North Polar Environment Observatory), осуществляемой в Центре Полярных исследований университета Вашингтон (рис. 2).

Рис. 2. Постановка ПБС с дрейфующего льда в рамках научно-исследовательской программы NPEO

Российский вклад в развитие системы мониторинга при помощи заякоренных буйковых комплексов в основном представлен в виде совместных инициатив с зарубежными научно-исследовательскими институтами. Российские ученые и специалисты при этом принимали непосредственное участие в разработке и развитии целого ряда из представленных выше программ мониторинга, к которым можно отнести такие международные проекты как RUSALCA, NABOS и Laptev Sea System. При этом экспедиционные исследования, выполняемые в рамках этих проектов в окраинных морях российской Арктики, организовывались и проводились при непосредственном участии или под руководством ААНИИ.

В перспективе в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте рассматривается возможность развития национальной системы мониторинга при помощи заякоренных станций в СЛО. В качестве предполагаемого места осуществления такой программы рассматривается район узкого шельфа и глубоководной части Арктического бассейна на траверзе мыса Арктического, как одном из наиболее интересных районов с точки зрения современных изменений морского климата северной полярной области и особенностей протекания океанографических процессов.

Основным препятствием для повсеместного внедрения практики использования автономных заякоренных комплексов в Арктике является практически круглогодичное присутствие ледяного покрова. В этих условиях экспедиции, в рамках которых осуществляется подъем и постановка комплексов, как правило, проводятся на судах, обладающих различными ледовыми классами. В настоящее время к научно-исследовательским судам ледокольного типа можно отнести: Академик Федоров (Россия), Louis St.Laurent, Amundsen (Канада); Polarstern (Германия); Oden (Швеция); Healy (США); Xuelong (Китай). Причем в подавляющем большинстве случаев использование этих судов возможно только в течение относительно короткого промежутка времени, ограниченного несколькими летними месяцами, когда наблюдается максимальное сокращение площади и толщины ледяного покрова в Арктическом бассейне. Кроме судов ледокольного типа в СЛО в летнее время экспедиционные исследования проводятся также с судов, обладающих более легким ледовым классом или даже отсутствием последнего, но район действия этих судов ограничен относительно небольшими пространствами чистой воды или разреженного льда в прикромочной зоне. Однако практика последних лет показывает, что в условиях значительного сокращения площади ледяного покрова в летний период, с помощью таких судов удается получать все большее пространственное покрытие натурными гидрофизическими данными.

Отдельной и самой сложной задачей является подъем ПБС в условиях присутствия ледяного покрова. Особенно подъем затрудняется в случае наличия разреженных льдов, когда сделать майну при помощи судна не представляется возможным и становится высокой вероятность всплытия поверхностных буев под отдельно плавающие льдины. В случае наличия сплоченного льда подъем также представляет собой известные трудности, которые связаны с целым набором последовательно выполняемых действий. Первым является триангуляция и расчет точного положения либо придонных акустических размыкателей, либо специального позиционирующего акустического устройства (транспондера), устанавливаемого в верхней части станций. В условиях глубокого океана и присутствия течений горизонтальная разница положения этих двух элементов может составлять несколько десятков метров, а иногда и более сотни. После этого осуществляется расчет скорости и направления дрейфа льда, времени, необходимого на подготовку майны необходимого размера, и начинаются работы по ее формированию. При условии правильной оценки дрейфа, в момент прохождения майны над позицией ПБС с бортового акустического устройства передается сигнал размыкателю на всплытие (рис. 3).

Рис. 3. Подъем притопленной буйковой станции в условиях высокой сплоченности льда в районе постановки ПБС (а, б)

Наиболее интересные результаты могут быть получены при использовании профилографов, перемещающихся вдоль несущего троса ПБС. Пример записи изменений вертикального профиля температуры в северной части моря Лаптевых показан на рис. 4. В частности, благодаря использованию технологии профилирования удалось установить ряд интересных особенностей динамики и термохалинной изменчивости глубинной атлантической водной массы в этом районе и зафиксировать существенный рост температур в ядре Атлантических вод в 2003–2004 гг.